Comparación de configuraciones de diseńo de sistemas SAI

Por Kevin McCarthy

Documento técnico nº 75

Sumario Existen cinco configuraciones principales en el diseńo de sistemas SAI, que distribuyen en la alimentación las cargas críticas del centro de datos. La elección de la configuración adecuada para cada tipo de aplicación, viene determinada por las necesidades de disponibilidad, la tolerancia a los riesgos, los tipos de carga del centro de datos, el presupuesto y la infraestructura existente. En este documento se explican las cinco configuraciones y se exponen las ventajas y desventajas de cada una de ellas. También se analiza la repercusión que cada configuración tiene sobre la disponibilidad y se incluyen directrices para elegir el diseńo adecuado.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

2

Introducción Aunque la red pública de distribución eléctrica es bastante fiable en la mayoría de los países desarrollados, existen estudios que demuestran que incluso la mejor red eléctrica no es adecuada para cubrir las necesidades de las críticas y continuas operaciones de procesamiento de datos. Muchas empresas, cuando se enfrentan a la probabilidad de sufrir tiempos de inactividad y errores en el procesamiento de datos debidos a la red eléctrica, deciden instalar un SAI (Sistema de alimentación ininterrumpida) entre el sistema de distribución eléctrica de la red pública y sus cargas de misión crítica. La configuración de diseńo del sistema SAI elegido para la aplicación afecta directamente a la disponibilidad de los equipos de TI que respalda. Son muchas las variables que afectan a la disponibilidad del sistema, incluidos el error humano, la fiabilidad de los componentes, los programas de mantenimiento y el tiempo de recuperación. La repercusión que cada una de estas variables tiene sobre la disponibilidad general del sistema viene determinada, en gran medida, por la configuración elegida. A lo largo del tiempo, muchos ingenieros de diseño han intentado crear la solución SAI perfecta para respaldar las cargas críticas, y estos diseños a menudo reciben nombres que no indican necesariamente el lugar que ocupan en la escala de la disponibilidad. Redundante paralelo, redundante aislado, redundante distribuido, Hot Tie, Hot Synch, barra paralela múltiple, Sistema 2N y sistemas de captación son algunos de los nombres asignados a las diferentes configuraciones de SAI por los ingenieros que los diseñaron o por los fabricantes que los construyeron. El problema de estos términos es que pueden significar cosas diferentes para cada persona y, por lo tanto, se pueden interpretar de diversas formas. Aunque las configuraciones de SAI que actualmente encontramos en el mercado son numerosas y variadas, cinco de ellas son las que se utilizan con más frecuencia: (1) Capacidad, (2) Redundante aislado, (3) Redundante paralelo, (4) Redundante distribuido y (5) Sistema 2N. En este documento técnico se explican estas configuraciones de los sistemas SAI y se exponen las ventajas y limitaciones de cada una de ellas. La configuración del sistema debe elegirse de forma que refleje la importancia de la carga. Considerar las repercusiones de los tiempos de inactividad y la tolerancia corporativa a los riesgos ayuda a elegir la configuración adecuada. En este documento se incluyen directrices para seleccionar la configuración idónea para cada aplicación.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

3

Escala de disponibilidad y coste Disponibilidad La fuerza impulsora que se encuentra detrás de las infinitas posibilidades de configuración del SAI es la creciente demanda de disponibilidad que exigen los responsables de operaciones de procesamiento de datos. “Disponibilidad” es el porcentaje de tiempo estimado que la potencia eléctrica se mantiene activa y en perfecto estado de funcionamiento para respaldar las cargas críticas. En el apéndice se incluye un análisis que cuantifica las diferencias de disponibilidad entre las configuraciones presentadas en este documento. Como en cualquier otro modelo, deben realizarse suposiciones para simplificar el análisis, por lo que los valores de disponibilidad presentados serán superiores a los que se obtendrían en una instalación real. Para poder comparar las cinco configuraciones de diseńo comunes, en la Tabla 1 se incluye una sencilla escala que ilustra su clasificación de disponibilidad en función de los resultados expuestos en el apéndice. Una vez que repasemos las explicaciones de las diferentes configuraciones, este orden será más evidente.

Niveles Todos los sistemas SAI (y los equipos de distribución eléctrica) requieren intervalos regulares de mantenimiento. La disponibilidad de una configuración de sistema depende de su grado de inmunidad frente a averías de los equipos, y de su capacidad inherente para poder realizar tareas de mantenimiento habituales y pruebas rutinarias sin necesidad de interrumpir la carga crítica. El Uptime Institute habla en detalle sobre este tema en un documento titulado “Industry Standard Tier Classifications Define Site Infrastructure Performance”1. Los niveles descritos en el documento del Uptime Institute comprenden las 5 arquitecturas de SAI mencionadas en este documento y también se describen en la Tabla 1.

Coste Cuanto más alto sea el lugar que ocupa la configuración en la escala de disponibilidad, más alto será también el coste. En la Tabla 1 se incluyen los costes aproximados de cada diseńo. Estos costes representan el coste de construir un nuevo centro de datos e incluyen no sólo el coste de la arquitectura SAI, sino también de toda la infraestructura física de red (NCPI - Network-Critical Physical Infrastructure) del centro de datos. Dicha infraestructura está formada por generadores, conmutadores, sistemas de refrigeración, supresión de subidas de tensión, falsos suelos, racks, iluminación, espacio físico y la puesta en servicio de todo el sistema. Estos costes son únicamente los costes iniciales y no incluyen gastos de explotación como contratos de mantenimiento. En estos costes se presupone una media de 2,79 m2 (30 pies cuadrados) por rack y están basados en un intervalo de densidades de potencia de 2,3 kW / rack a 3,8 kW / rack. El coste por rack disminuirá a medida que aumente el tamańo del edificio, ya que ofrecerá un mayor espacio en el que distribuir los costes y mayor poder adquisitivo de los fabricantes.

1

www.upsite.com

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

4

Tabla 1 – Escala de disponibilidad y coste de las configuraciones de SAI Configuraciones Capacidad (N) Redundante aislado Redundante paralelo (N+1) Redundante distribuido Sistema 2N (2N, 2N+1)

Escala de disponibilidad 1 = La más baja 2 3 4 5 = La más alta

Categoría del nivel2

Escala de coste del centro de datos ($)

Tier I

13.500$ - 18.000$ / rack

Tier II

18.000$ - 24.000$ / rack

Tier III Tier IV

24.000$ - 30.000$ / rack 36.000$ - 42.000$ / rack

żQué significa “N”? Las + de diseño de los SAI generalmente se describen con nomenclaturas que utilizan la letra “N” en la línea de cálculo. Por ejemplo, un sistema redundante paralelo también podría denominarse de diseño N+1, o un diseño de Sistema 2N como 2N. La “N” podría definirse sencillamente como la “necesidad” de la carga crítica. Dicho de otro modo, se trata de la capacidad de potencia necesaria para alimentar los equipos protegidos. Los equipos de TI como los sistemas RAID (Matriz redundante de discos independientes) pueden servir de ejemplo para ilustrar el uso de la letra “N”. Por ejemplo, si se necesitan 4 discos como capacidad de almacenamiento y el sistema RAID contiene 4 discos, será un sistema de diseño “N”. Por otro lado, si contiene 5 discos y únicamente se necesitan 4 como capacidad de almacenamiento, sería un diseño N+1. Tradicionalmente, los requisitos de potencia de las cargas críticas tenían que preverse muy bien para lograr un sistema SAI que respaldara las cargas durante 10 o 15 ańos. Prever esta carga resultó ser una tarea difícil, y con razón. En los ańos 90, se desarrolló el concepto de “vatios / área cuadrada” con la intención de crear un marco para poder comparar instalaciones. Sin embargo, esta forma de medir la potencia dio lugar a malentendidos por el simple hecho de que nadie se ponía de acuerdo en lo que era el área cuadrada. Más recientemente, con la tendencia a compactar los equipos de tecnología, el concepto de “vatios / rack” comenzó a utilizarse para calcular la capacidad del sistema. Esta medida ha demostrado ser más fiable, puesto que la cantidad de racks existentes en un espacio es muy fácil de contar. Independientemente de la forma en la que se decida considerar la “N” de la carga, es fundamental que se haga desde el principio para que el proceso de diseńo pueda empezar por buen camino. Actualmente existen diseños de sistemas SAI, escalables y modulares, que permiten ampliar la capacidad del SAI a medida que aumentan las “necesidades” de TI. Si desea obtener más información sobre este tema, consulte el Documento técnico de APC nş 37, “Evitar costes de sobredimensionamiento en la estructura para Centros de Proceso de Datos (Datacenters)”.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

5

Capacidad o sistema “N” Dicho de un modo sencillo, un sistema N es un sistema formado por un solo módulo SAI, o por un conjunto de módulos en paralelo cuya capacidad coincide con la carga crítica prevista. Este tipo de sistema es, con diferencia, la configuración más común en el sector de los SAI. Los pequeńos SAI que se encuentran bajo las mesas de oficina tienen una configuración N. Del mismo modo, una sala de servidores de 465 m2 (5.000 pies cuadrados) con una capacidad de diseńo prevista de 400 kW es una configuración N, tanto si dispone de un solo SAI de 400 kW o de dos SAI de 200 kW conectados en paralelo en una barra común. Una configuración N puede considerarse como el requisito mínimo para ofrecer protección a la carga crítica. Aunque los dos ejemplos anteriores se consideren configuraciones N, los diseños de los módulos SAI son diferentes. A diferencia de los SAI pequeños, los sistemas con capacidades superiores a las monofásicas (aproximadamente 20 kW) llevan bypass estáticos internos que permiten transferir la carga a la red eléctrica en condiciones de seguridad si el módulo SAI sufre algún problema interno. Los puntos en los que el SAI realiza la transferencia al bypass estático, los selecciona cuidadosamente el fabricante para ofrecer la máxima protección a la carga crítica y proteger a la vez el módulo contra situaciones que pudieran dañarlo. El ejemplo siguiente ilustra una de estas medidas de protección: en aplicaciones de SAI trifásicos, es muy común que los módulos alcancen regímenes de sobrecarga. Uno de estos regímenes podrían indicar que el “módulo soportará el 125% de su carga nominal durante 10 minutos”. Una vez detectada una sobrecarga del 125%, el módulo activará una secuencia de temporización en la que un reloj interno iniciará una cuenta atrás de 10 minutos. Cuando se agote el tiempo, si la carga no ha recuperado sus niveles normales, el módulo la transferirá al bypass estático en condiciones de seguridad. Son muchas las situaciones en las que se activa el bypass estático, las cuales se indican claramente en las especificaciones de los distintos módulos SAI. Una forma de mejorar un diseño de configuración N es dotar al sistema con bypass de “mantenimiento” o “externo”. El bypass externo permite apagar todo el sistema SAI (módulos y bypass estático) en condiciones de seguridad para realizar mantenimiento cuando la situación lo requiera. El bypass de mantenimiento procede del mismo cuadro que alimenta al SAI y se conecta directamente al cuadro de salida del SAI. Se trata de un circuito normalmente abierto que únicamente puede cerrarse cuando el módulo SAI se encuentra en modo de bypass estático. Por lo tanto, deben tomarse medidas en el diseño para evitar el cierre del circuito de bypass de mantenimiento cuando el SAI no se encuentra en modo de bypass estático. Cuando está correctamente implementado en un sistema, el bypass de mantenimiento es un componente importante, ya que permite trabajar en un módulo SAI sin necesidad de desconectar la carga.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

6

La mayoría de las configuraciones de sistema de tipo “N”, especialmente por debajo de los 100 kW, se instalan en los edificios sin reparar demasiado en la configuración de los sistemas eléctricos generales de dicho edificio. Generalmente, los sistemas eléctricos de los edificios están diseńados con una configuración “N”, por lo que basta con disponer de un SAI de esa misma configuración “N” para alimentarlos. En la Figura 1 se muestra una configuración típica de un sistema SAI de un solo módulo.

Figura 1 – Configuración de SAI con “capacidad” de un solo módulo Utility

Generator

ATS

UPS 300kW

Maintenance Bypass

PDU LOAD 300kW

Ventajas •

Configuración conceptualmente sencilla y rentable.

•

Rendimiento óptimo del SAI, puesto que se utiliza en toda su capacidad.

•

Ofrece una disponibilidad superior a la de la alimentación de la red eléctrica.

•

Ampliable en caso de que aumenten los requisitos de potencia (se pueden configurar varias unidades en la misma instalación. Dependiendo del fabricante, es posible tener hasta 8 módulos SAI de la misma capacidad nominal en paralelo).

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

7

Desventajas •

Disponibilidad limitada en caso de avería de un módulo SAI, ya que la carga se transferirá al funcionamiento en bypass, lo que la deja expuesta a una alimentación sin protección.

•

Durante el mantenimiento del SAI, las baterías o los equipos asociados (generalmente se realiza una vez al ańo como mínimo, con una duración típica de entre 2 y 4 horas), la carga queda expuesta a una alimentación sin protección.

•

La falta de redundancia limita la protección de la carga contra averías en el SAI.

•

Numerosos puntos individuales de fallo, lo que significa que el sistema únicamente es tan fiable como su punto más débil.

Redundante aislado La configuración con un diseńo redundante aislado algunas veces se denomina también sistema “N+1”; sin embargo, es muy diferente a la configuración de diseńo redundante paralelo, que también se conoce como N+1. El concepto de diseńo redundante aislado no requiere una barra de conexión en paralelo, ni que los módulos tengan la misma capacidad ni que sean del mismo fabricante. En esta configuración, hay un módulo SAI “primario” o principal que normalmente alimenta la carga. El SAI “secundario” o “de aislamiento” alimenta al bypass estático de los módulos SAI principales. Esta configuración requiere que el módulo SAI primario tenga una entrada independiente para el circuito del bypass estático. Y éste sería un método de lograr cierto nivel de redundancia en una configuración que anteriormente no lo era sin tener que cambiar por completo los SAI existentes. La Figura 2 muestra una configuración de SAI redundante aislado. En una situación de funcionamiento normal, el módulo SAI primario soportará toda la carga crítica y el módulo aislado estará totalmente descargado. Si se produce una incidencia en la que la carga del módulo primario se transfiere al bypass estático, el módulo de aislamiento tomará la carga completa del módulo primario instantáneamente. El módulo de aislamiento debe seleccionarse con mucho cuidado para garantizar que será capaz de asumir la carga con esta rapidez. Si no es capaz, el mismo módulo de aislamiento transferiría la carga al bypass estático y anularía de este modo la protección adicional que proporcionaría esta configuración. Las tareas de reparación y mantenimiento pueden realizarse en cualquiera de los módulos transfiriendo la carga al otro módulo. El bypass de mantenimiento continúa siendo una característica de diseńo importante, ya que el punto de fallo de salida sigue existiendo. El sistema completo debe desconectarse durante 2 – 4 horas al ańo para realizar las tareas de mantenimiento preventivo a nivel de sistema. La fiabilidad obtenida con esta configuración generalmente se ve desplazada por la complejidad del conmutador y de los controles asociados.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

8

Figura 2 – Configuración de SAI redundante aislado Utility

Generator ATS

Catcher UPS 300kW

Primary UPS 300kW

Static Switch Bypass

Static Switch Bypass

Maintenance Bypass

PDU LOAD 300kW

LOAD 300kW

Ventajas •

Elección flexible de productos, ya que se pueden combinar productos de cualquier marca o modelo.

•

Ofrece tolerancia a fallos del SAI.

•

No requiere sincronización.

•

Relativamente rentable en un sistema de dos módulos.

Desventajas •

Dependencia del funcionamiento correcto del bypass estático del módulo principal para recibir alimentación del módulo de reserva.

•

Requiere que el bypass estático de ambos módulos SAI funcione correctamente para suministrar el exceso de corriente de la capacidad del inversor.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

9

•

El módulo SAI secundario debe ser capaz de soportar un aumento repentino de la carga cuando el módulo primario transfiere a bypass. (Este SAI generalmente ha estado funcionando con una carga del 0% durante un largo período de tiempo. Puesto que no todos los módulos SAI pueden realizar esta tarea, la elección del módulo de bypass es una decisión crítica).

•

Conmutador y controles asociados complejos y costosos.

•

Mayor coste de explotación debido a la carga del 0% del SAI secundario, que consume energía para mantenerse en funcionamiento.

•

Un sistema de dos módulos (uno primario y otro secundario) requiere al menos un cortacircuitos adicional para poder elegir entre la red eléctrica y el otro SAI como la fuente de bypass. Esto implica una mayor complejidad que un sistema con una barra colectora de carga común.

•

Dos o más módulos primarios requieren un circuito especial para poder seleccionar el módulo de reserva o la red eléctrica como la fuente de bypass (conmutador estático de transferencia).

•

Una única barra colectora de carga por sistema, un solo punto de fallo.

Redundante paralelo o sistema “N+1” Las configuraciones de diseńo redundante paralelo admiten el fallo de un módulo SAI sin requerir que la carga crítica se transfiera a la red eléctrica. El objetivo de cualquier SAI es proteger las cargas críticas de las variaciones e interrupciones que se producen en la red eléctrica pública. A medida que aumenta la importancia de los datos y disminuye la tolerancia al riesgo, la idea de transferencia al bypass estático y al bypass de mantenimiento se considera como algo que debe reducirse aún más. Los diseńos de sistemas N+1 deben continuar teniendo capacidad de bypass estático y la mayoría de ellos incorpora un bypass de mantenimiento, puesto que continúan ofreciendo una capacidad crítica. Una configuración de diseńo redundante paralelo consiste en acoplar en paralelo diversos módulos SAI del mismo tamańo en una barra de salida común. El sistema será redundante N+1 si la cantidad “sobrante” de potencia es al menos igual a la capacidad de un módulo del sistema; el sistema sería redundante N+2 si la potencia sobrante fuera igual a dos módulos del sistema, y así sucesivamente. Los sistemas redundantes en paralelo requieren que los módulos SAI tengan la misma capacidad y sean del mismo fabricante. El fabricante del módulo SAI también suministra el control para la conexión en paralelo del sistema. La tarjeta de conexión en paralelo puede contener la lógica que se comunica con los módulos SAI individuales y dichos módulos se comunicarán entre sí para crear una tensión de salida completamente sincronizada. La barra paralela puede incorporar funciones de monitorización para mostrar la carga del sistema y las características de tensión y corriente a nivel de sistema. La barra paralela también debe tener capacidad para mostrar el número de módulos que tiene conectados y la cantidad de módulos necesaria para mantener la redundancia en el sistema. Existen máximos lógicos para la cantidad de módulos SAI que pueden conectarse en paralelo en una barra común y este límite es diferente en función de los distintos 2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

10

fabricantes de SAI. En condiciones de funcionamiento normal, la carga crítica se reparte por igual entre los módulos SAI instalados con un diseńo redundante paralelo. Cuando uno de los módulos se retira de la barra paralela para realizar tareas de mantenimiento o reparación (o si el propio módulo se retira debido a un error interno), los demás módulos SAI deberán soportar inmediatamente la carga del módulo SAI averiado. Esta capacidad permite retirar cualquiera de los módulos de la barra colectora y repararlo sin necesidad de transferir la carga crítica a la red eléctrica. La sala de servidores de 465 m2 (5.000 pies cuadrados) del ejemplo de configuración N requeriría dos módulos SAI de 400 kW o tres módulos SAI de 200 kW conectados en paralelo en una barra de salida común para que fuera redundante. El tamańo de la barra paralela se adapta a la capacidad no redundante del sistema. Por lo tanto, el sistema formado por dos módulos de 400 kW tendría una barra paralela con una capacidad nominal de 400 kW. La configuración de los sistemas N+1 permite ampliar la capacidad del SAI a medida que aumenta la carga. Es necesario definir umbrales de capacidad que, en el momento en el que la capacidad instalada supere un determinado nivel (y puesto que los plazos de entrega de algunos módulos SAI puede ser de muchas semanas o incluso de meses), indiquen la necesidad de encargar un nuevo módulo redundante. Y cuanto mayor sea la capacidad del SAI, más difícil será esta tarea. Los módulos SAI grandes pesan miles de kilos y requieren equipos de montaje especiales para instalarlos. Generalmente suele haber un espacio reservado en la sala de sistemas SAI para este módulo. Este tipo de implantación debe planificarse muy bien, puesto que instalar un módulo SAI de gran tamańo en cualquier sala conlleva siempre algún tipo de riesgo. La eficacia del sistema puede ser un factor importante que debe considerarse en el diseńo de sistemas SAI redundantes. Los módulos SAI poco cargados generalmente resultan menos eficaces que los módulos cuya carga está próxima a su capacidad. En la Tabla 2 se indica la carga de servicio típica de un sistema que utiliza módulos SAI de distinto tamańo, todos ellos para alimentar una carga de 240 kW. Como puede verse en la tabla, el tamańo del módulo elegido para una determinada aplicación puede influir considerablemente en la eficacia del sistema. La eficacia de los distintos SAI con cargas bajas varía de un fabricante a otro y debe investigarse durante el proceso de diseńo.

Tabla 2 – Configuraciones N + 1 Módulos SAI en paralelo

Carga crítica

Capacidad total del sistema SAI

% de carga de cada módulo SAI

2 x 240 kW

240 kW

480 kW

50%

3 x 120 kW

240 kW

360 kW

66%

4 x 80 kW

240 kW

320 kW

75%

5 x 60 kW

240 kW

300 kW

80%

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

11

En la Figura 3 se muestra una configuración típica de dos módulos con diseńo redundante paralelo. Esta figura demuestra que aunque estos sistemas ofrecen protección frente al fallo de uno de los módulos SAI, continúa habiendo un punto de fallo en la barra de conexión en paralelo. Como ocurre en la configuración del diseńo de capacidad, la instalación de un circuito de bypass de mantenimiento es una consideración importante en estos diseńos para que la barra paralela se pueda desconectar periódicamente para su mantenimiento.

Figura 3 – Configuración de SAI redundante paralelo (N+1) Utility

Generator

ATS

UPS A 300kW

Primary UPS 300kW

UPS B 300kW

Maintenance Bypass

PDU LOAD 300kW

Ventajas •

Mayor nivel de disponibilidad que en las configuraciones de capacidad debido a la capacidad adicional que se puede utilizar en caso de que uno de los módulos SAI falle.

•

Posibilidad de ampliación en caso de que aumenten los requisitos de potencia. Posibilidad de configurar varias unidades en la misma instalación.

•

La disposición del hardware es conceptualmente sencilla y rentable.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

12

Desventajas •

Ambos módulos deben tener el mismo diseńo, mismo fabricante, misma capacidad y la misma tecnología y configuración.

•

Continúa habiendo puntos de fallo individuales en los sistemas situados antes y después del sistema SAI.

•

Durante el mantenimiento del SAI, de las baterías o de los equipos asociados, que generalmente se realiza una vez al ańo como mínimo, con una duración típica de entre 2 y 4 horas, la carga queda expuesta a una alimentación sin protección.

•

Menor eficacia porque ninguna de las unidades se utiliza al 100%.

•

Una única barra colectora de carga por sistema, un solo punto de fallo.

•

Algunos fabricantes requieren conmutadores estáticos externos para poder distribuir la carga por igual entre los dos módulos SAI; de lo contrario, se distribuiría en un porcentaje del 15%. Esto supone mayor coste en equipos y mayor complejidad.

•

La mayoría de los fabricantes requieren un panel de bypass de servicio externo común. Esto supone mayor coste en equipos y mayor complejidad.

Redundante distribuido Las configuraciones de diseńo redundante distribuido se utilizan comúnmente en el mercado actual. Este diseńo se desarrolló a finales de los ańos 90, creado por una empresa de ingeniería en un esfuerzo por ofrecer las capacidades de una redundancia completa sin los costes asociados con ello. La base de este diseńo utiliza tres o más módulos SAI con alimentadores de entrada y salida independientes. Las barras colectoras de salida independientes están conectadas a la carga crítica a través de diversas PDU y STS. Desde la entrada del servicio de la red eléctrica hasta el SAI, el diseńo redundante distribuido y el diseńo de Sistema 2N (descrito en la siguiente sección) son muy similares. Ambos permiten el mantenimiento simultáneo y reducen los puntos individuales de fallo. La principal diferencia se encuentra en la cantidad de módulos SAI necesarios para lograr rutas de potencia redundantes hasta la carga crítica, así como la organización y distribución desde el SAI hasta la carga crítica. A medida que aumentan los requisitos de carga, “N”, aumentan también los ahorros en la cantidad de módulos SAI. Las Figuras 4 y 5 muestran una carga de 300 kW con dos conceptos de diseńo redundante distribuido diferentes. La Figura 4 utiliza tres módulos SAI en un diseńo redundante distribuido, también denominado “sistema de captación”. En esta configuración, el módulo 3 está conectado a la entrada secundaria en cada STS y “captará” la carga en caso de que falle alguno de los módulos SAI primarios. En este tipo de sistema de captación, el módulo 3 generalmente está descargado.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

13

Figura 4 – Configuración de SAI redundante distribuido “de captación” Utility B

Utility A

Generator

ATS 1 ATS 2 ATS 3

UPS 1 150kW

UPS 2 150kW

STS 1

STS 2

PDU 1

PDU 2

LOAD 1 100kW

LOAD 2 100kW

UPS 3 150kW

LOAD 3 100kW

En la Figura 5 se muestra un diseńo redundante distribuido con tres STS y con la carga distribuida por igual entre los tres módulos en condiciones de funcionamiento normal. El fallo de cualquiera de los módulos forzaría al STS a transferir la carga al módulo SAI que alimenta la fuente alternativa. Lo que resulta evidente en estas dos líneas es la diferencia entre distribuir la potencia a cargas de doble fuente y a cargas de una fuente. Las cargas de doble fuente pueden recibir la alimentación de dos unidades STS, mientras que las cargas de una fuente únicamente pueden recibirla de un solo STS. Por lo tanto, para las cargas de una fuente, el STS pasa a ser un punto individual de fallo. A medida que la cantidad de cargas de una fuente se va reduciendo en los centros de datos actuales, cada vez resulta más práctico y menos costoso aplicar múltiples conmutadores de transferencia pequeńos próximos a las cargas de una fuente. En los casos en los que el 100% de la carga sea de doble fuente, esta configuración podría diseńarse sin unidades STS.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

14

Figura 5 – Configuración de SAI redundante distribuido Utility A

Utility B

Generator

ATS 1 ATS 2 ATS 3

UPS 1 150kW

UPS 2 150kW

UPS 3 150kW

STS 1

STS 2

STS 3

PDU 1

PDU 2

PDU 3

LOAD 1 60kW

LOAD 2 60kW

LOAD 3 60kW

LOAD 4 60kW

LOAD 5 60kW

Los sistemas redundantes distribuidos generalmente se utilizan en grandes instalaciones complejas en las que el mantenimiento concurrente es un requisito y donde muchas o la mayoría de las cargas son de una fuente. El ahorro que supone respecto a la configuración 2N también es un factor que fomenta esta configuración. A continuación se indican otros factores que impulsan las configuraciones de sistemas redundantes distribuidos: Mantenimiento concurrente: capacidad para desconectar por completo cualquier componente eléctrico, o subconjunto de componentes, para realizar tareas de mantenimiento o pruebas de rutina sin necesidad de transferir la carga a la red pública. Punto individual de fallo: elemento del sistema de distribución eléctrica que puede ocasionar tiempos de inactividad en cualquier momento si no se instala un medio para evitarlo (bypass). Los sistemas de configuración N generalmente están formados por una serie de puntos individuales de fallo. Eliminarlos del diseńo es un componente clave de la redundancia.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

15

Conmutador estático de transferencia (STS): un STS tiene dos entradas y una salida. Generalmente acepta la alimentación procedente de dos sistemas SAI diferentes y ofrece a la carga suministro acondicionado procedente de uno de ellos. Si fallasen sus alimentadores de SAI principales, el STS transferiría la carga al alimentador de SAI secundario en aproximadamente 4 milisegundos, manteniendo de esta forma la carga protegida en todo momento. Esta tecnología se desarrolló a principios de los 90 y se utiliza comúnmente en configuraciones redundantes distribuidas. El principal punto débil de este diseńo es el uso de conmutadores estáticos de transferencia. Estos dispositivos son muy complejos y presentan algunos modos de fallo inesperados, siendo el peor de ellos el hecho de que pueden fallar de tal forma que las dos entradas se cortocircuiten entre ellas. En este tipo de incidencia, el STS puede convertirse en un punto individual de fallo puesto que puede provocar que dos SAI interrumpan la carga simultáneamente. El fallo de un STS puede propagarse caudal arriba y afectar al funcionamiento de todo el sistema. Por este motivo, el diseńo de sistema + sistema, que se describe en la siguiente sección, ofrece una mayor disponibilidad, particularmente si los dispositivos de carga tienen capacidad para alimentación redundante de doble fuente. Existen distintas opciones en una configuración STS y diversos grados de fiabilidad del STS en el mercado que se deben considerar. En esta configuración, el STS está por delante de la PDU (en el lado de 400 voltios). Ésta sería la aplicación común. Muchos ingenieros creen, y con razón, que colocar el STS en el lado de 230 voltios de dos PDU es una opción más fiable. Sin embargo, existe otra opción mucho más cara que la del STS de 400 voltios, la cual se describe con mayor detalle en el Documento técnico de APC nş 48, “Comparing Availability of Various Rack Power Redundancy Configurations” (“Comparación de la disponibilidad de varias configuraciones de redundancia de alimentación de rack”). Cargas de una fuente: cuando el entorno está formado por equipos de un solo cable, cada equipo de TI únicamente puede recibir alimentación desde un solo STS o conmutador de transferencia instalado en rack. Acercar el conmutador a la carga es un requisito previo para lograr una alta disponibilidad en arquitecturas redundantes, tal y como se demuestra en el Documento técnico de APC nş 48. Instalar cientos de dispositivos de una fuente en un solo STS de gran tamańo es un factor de riesgo elevado. La instalación de diversos conmutadores más pequeńos que se encarguen de alimentar porcentajes más pequeńos de las cargas mitigaría este problema. Además, los conmutadores de transferencia para montaje en rack y distribuidos no presentan los modos de fallo que propagan los fallos caudal arriba a varios sistemas SAI, como es el caso de los STS de mayor tamańo. Por este motivo, la utilización de conmutadores de transferencia basados en rack es cada vez más común, especialmente en los casos en los que tan sólo un porcentaje de la carga es de una fuente. En el Documento técnico de APC nş 62, “Alimentación de equipos de una fuente en entornos de doble alimentación” se describen en detalle las diferencias entre STS y conmutadores de transferencia para montaje en rack. Cargas de doble fuente: este tipo de cargas es cada vez más frecuente, por lo que el uso de un STS no es necesario. Basta con conectar las cargas a dos PDU diferentes, que reciben la alimentación de sistemas SAI independientes. 2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

16

Sincronización de fuentes múltiples: cuando se utilicen unidades de STS en un centro de datos, es importante que la alimentación de los dos SAI esté sincronizada. Sin un control de la sincronización, es posible que los módulos SAI estén desfasados, especialmente cuando funcionan con baterías. Una solución para evitar la transferencia desfasada es instalar una unidad de sincronización entre los dos sistemas SAI, de modo que puedan sincronizar su salida de CA. Esto es especialmente importante cuando los módulos SAI han perdido la alimentación de entrada y están funcionando en baterías. La unidad de sincronización garantiza que todos los sistemas SAI estarán sincronizados en todo momento, por lo que durante una transferencia en el STS, la alimentación estará dentro de fase al 100%, impidiendo de esta forma una transferencia desfasada y los posibles dańos que podrían sufrir los equipos instalados a continuación. Por supuesto, instalar una unidad de sincronización entre sistemas SAI independientes da cabida a la posibilidad de que se produzca un fallo común, es decir, un fallo que pueda bloquear simultáneamente todos los sistemas SAI.

Ventajas •

Permite el mantenimiento concurrente de todos los componentes si todas las cargas son de doble fuente.

•

Ahorro de costes frente al diseńo 2(N+1) debido a la utilización de menos módulos SAI.

•

Dos rutas independientes de la alimentación con cualquier carga de doble fuente ofrecen redundancia desde la entrada del servicio.

•

Los módulos SAI, el conmutador y otros equipos de distribución se pueden mantener sin transferir la carga al modo de bypass, lo que la dejaría expuesta a un suministro eléctrico sin acondicionar. Muchos diseńos redundantes distribuidos no incluyen un circuito de bypass de mantenimiento.

Desventajas •

Solución relativamente cara debido al uso intensivo del conmutador, en comparación con las configuraciones anteriores.

•

El diseńo depende del funcionamiento correcto del equipo STS, que representa puntos individuales de fallo y modos de fallo complejos.

•

Configuración compleja. En instalaciones de gran tamańo que tienen muchos módulos SAI y muchos conmutadores estáticos de transferencia y unidades PDU, mantener una carga uniforme en los sistemas y saber qué sistemas están alimentando a qué cargas, puede convertirse en un problema de gestión.

•

Modos de funcionamiento imprevistos: el sistema tiene muchos modos de funcionamiento y muchas transiciones posibles entre ellos. Resulta difícil comprobar todos estos modos en condiciones anticipadas y de fallo para comprobar el funcionamiento correcto de la estrategia de control y de los dispositivos de corrección de fallos.

•

Ineficacia de los SAI debido al funcionamiento normal con carga inferior a la máxima.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

17

Sistema 2N redundante Sistema 2N, doble embarrado, terminal doble, 2(N+1), 2N+2, [(N+1) + (N+1)] y 2N son todas denominaciones asignadas a las variaciones de esta configuración. Con este diseńo es ahora posible crear sistemas SAI que probablemente no requieran nunca la transferencia de la carga a la fuente de alimentación de la red pública. Estos sistemas se pueden diseńar de forma que se excluyan todos los puntos individuales de fallo posibles. Sin embargo, cuanto mayor sea el número de puntos individuales de fallo eliminados, más caro resultará implantar este diseńo. La mayoría de las grandes instalaciones de Sistema 2N están situadas en edificios independientes especialmente diseńados. En ellas, es muy frecuente que los espacios para respaldar la infraestructura (SAI, baterías, refrigeración, generador, red eléctrica y salas de distribución eléctrica) tengan el mismo tamańo que el espacio para los equipos del centro de datos. Se trata del diseńo más fiable – y el más caro– del sector. Puede ser muy sencillo o muy complejo, dependiendo de la visión del ingeniero y de los requisitos del propietario. Aunque esta configuración recibe un nombre, los detalles del diseńo pueden variar considerablemente y, de nuevo, el nombre dependerá del concepto y de los conocimientos del ingeniero de diseńo responsable del trabajo. La variación 2(N+1) de esta configuración, como muestra la Figura 6, tiene que ver con la duplicación de sistemas SAI redundantes en paralelo. En una situación óptima, estos sistemas SAI recibirían la alimentación de cuadros de distribución distintos, e incluso de servicios eléctricos diferentes y probablemente de sistemas de generador diferentes. El excesivo coste de construir este tipo de instalación se ha justificado con la importancia de lo que ocurre dentro de las paredes del centro de datos y el coste que supone los tiempos de inactividad para las operaciones. Muchas de las grandes organizaciones del mundo han elegido esta configuración para proteger sus cargas críticas.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

18

Figura 6 – Configuración de SAI 2(N+1) Utility

Utility

Generator

Generator

ATS

UPS 1A 300kW

ATS

UPS 1B 300kW

PDU 1

LOAD 1 100kW

UPS 2A 300kW

RACK ATS

LOAD 2 100kW

UPS 2B 300kW

PDU 2

LOAD 3 100kW

El coste de esta configuración depende de lo “exhaustivos” que el ingeniero de diseńo considere que deben ser los esfuerzos por duplicar los sistemas para cubrir las necesidades del cliente. El concepto fundamental que se encuentra detrás de esta configuración requiere que todos los equipos eléctricos puedan fallar o desconectarse manualmente sin necesidad de transferir la carga crítica a la red eléctrica. En el diseńo 2(N+1) es muy común la utilización de circuitos de bypass que permitan desconectar secciones del sistema y derivarlas a una fuente alternativa que mantenga la integridad redundante de la instalación. En la Figura 6 se muestra un ejemplo de este diseńo: el circuito de enlace entre los cuadros de entrada del SAI permite desconectar una de las entradas de servicio de la red pública sin necesidad de desconectar uno de los sistemas SAI. En un diseńo 2(N+1), el fallo de un solo módulo SAI provocará que dicho módulo SAI sea excluido del circuito y que sus módulos paralelos asuman la carga adicional. En el ejemplo ilustrado en la Figura 6, la carga crítica es de 300 kW, por lo que el diseńo requiere la instalación de cuatro módulos SAI de 300 kW, conectados de dos en dos en dos barras paralelas diferentes. Cada barra proporciona la distribución necesaria para alimentar dos rutas diferentes directamente a las cargas de doble fuente. La carga de una fuente, ilustrada en la Figura 6, muestra cómo un conmutador de transferencia puede llevar la redundancia cerca de la carga. Sin embargo, las arquitecturas eléctricas de Tier IV requieren que todas las cargas sean de doble fuente.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

19

A las empresas que eligen configuraciones de Sistema 2N generalmente les preocupa más la alta disponibilidad que el coste que supone lograrla. Estas empresas también tienen un gran porcentaje de cargas de doble fuente. Además de los factores expuestos en la sección de diseño redundante distribuido, existen otros factores que favorecen esta configuración: Reforzamiento: diseñar un sistema, y un edificio, para que sea inmune a los estragos de la naturaleza y a los tipos de fallos en cascada que se producen en los sistemas eléctricos. La capacidad para aislar y contener un fallo, por ejemplo, los dos sistemas SAI no estarían instalados en la misma sala y las baterías no estarían en la misma sala. La coordinación de los cortacircuitos se convierte en un componente fundamental de estos diseños. La coordinación adecuada de los cortocircuitos puede evitar que afecten a diversas partes del edificio. Reforzar un edificio también puede significar aumentar su inmunidad frente a incidencias como huracanes, tornados e inundaciones, según sea necesario en función de la localización del edificio. Por ejemplo, diseñar los edificios alejados de planicies aluviales de 100 años de recurrencia, evitar trayectorias de vuelo, emplear muros gruesos y evitar el uso de ventanas puede ayudar a crear esta inmunidad. Conmutador estático de transferencia (STS): con la llegada de los equipos de TI con capacidad para doble fuente, estos dispositivos, y sus modos de fallo, pueden eliminarse con un aumento considerable de la disponibilidad del sistema. Cargas de una fuente: para aprovechar al máximo las ventajas de redundancia de los diseños de Sistema 2N, las cargas de una fuente deben conectarse a conmutadores de transferencia a nivel de rack. Las ventajas de hacerlo se ilustran en el Documento técnico de APC nº 48, “Comparing Availability of Various Rack Power Redundancy Configurations” (“Comparación de la disponibilidad de varias configuraciones de redundancia de alimentación de rack”).

Ventajas •

Las dos rutas independientes de la alimentación descartan los puntos de fallo individuales; muy tolerante a los fallos.

•

La configuración ofrece redundancia total desde la entrada del servicio hasta las cargas críticas.

•

En los diseńos 2(N+1), la redundancia de SAI continúa existiendo, incluso durante las tareas de mantenimiento concurrente.

•

Los módulos SAI, el conmutador y otros equipos de distribución se pueden mantener sin transferir la carga al modo de bypass, lo que la dejaría expuesta a un suministro eléctrico sin acondicionar.

•

Sistemas de fácil mantenimiento cargados de modo uniforme y posibilidad de saber cuáles son las cargas que están alimentando los sistemas.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

20

Desventajas •

Solución muy cara debido a la cantidad de componentes redundantes.

•

Ineficacia de los SAI debido al funcionamiento normal con carga inferior a la máxima.

•

Los edificios típicos no están preparados para albergar las grandes instalaciones de tipo Sistema 2N y alta disponibilidad, que requieren la compartimentación de los componentes redundantes.

Elegir la configuración adecuada żCómo eligen las empresas la solución adecuada? De nuevo, las consideraciones para elegir la configuración idónea son:

•

Coste/repercusiones de los tiempos de inactividad: żcuánto dinero circula en la empresa por minuto?, żcuánto tiempo se tardaría en recuperar los sistemas en caso de fallo? La respuesta a esta pregunta ayudará a iniciar un debate presupuestario. Si la respuesta es 10.000.000 $ / minuto frente a 1.000.000 $ / hora, el debate será diferente.

•

Tolerancia al riesgo: las empresas que no han experimentado un fallo grave generalmente son más tolerantes a los riesgos que las que lo han sufrido. Las empresas inteligentes aprenden de lo que hacen otras empresas del sector. Es lo que se denomina “Benchmarking” y puede hacerse de muy diversas formas. Cuanto más intolerante al riesgo es una empresa, más esfuerzos internos realizará para que sus operaciones sean más fiables y para disponer de capacidades de recuperación ante desastres.

•

Requisitos de disponibilidad: żcuál es la cantidad de tiempo de inactividad que puede soportar una empresa en un ańo típico? Si la respuesta es ninguna, entonces deberá incluirse en el presupuesto un diseńo de alta disponibilidad. Sin embargo, si la empresa puede permitirse una desconexión todas las noches después de las 10 p.m. y la mayoría de los fines de semana, entonces la configuración del SAI no necesita ser superior a la de un diseńo redundante paralelo. Todos los SAI necesitan mantenimiento en un momento determinado y los sistemas SAI fallan periódicamente y en cierto modo de una manera imprevisible. Cuanto menos tiempo pueda dedicarse al mantenimiento de un sistema a lo largo de un ańo, mayor será la necesidad de que los elementos sean redundantes.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

21

•

Tipos de cargas (de una fuente o de doble fuente): las cargas de doble fuente ofrecen una verdadera oportunidad para que un diseńo aproveche la capacidad redundante, pero el concepto del diseńo de Sistema 2N se creó antes de que existieran los sistemas de doble fuente. El sector de fabricación de ordenadores definitivamente escuchó a sus clientes cuando empezaron a crear cargas de doble fuente. La naturaleza de las cargas del centro de datos sirve como guía para el diseńo, pero no es una fuerza impulsora tan considerable como los problemas mencionados anteriormente.

•

Presupuesto: el coste de implantar un diseńo 2(N+1) es considerablemente mayor, en todos los aspectos, que un diseńo de capacidad, un diseńo redundante paralelo o incluso uno redundante distribuido. Como ejemplo de la diferencia de coste en un centro de datos grande, un diseńo 2(N+1) puede requerir 30 módulos de 800 kW (cinco por barra paralela y seis barras paralelas). Sin embargo, un diseńo redundante distribuido para esta misma instalación requiere sólo 18 módulos de 800 kW, lo que supone un ahorro considerable en los costes.

El diagrama de flujo de la Figura 7 es un punto de inicio útil para seleccionar la configuración adecuada del sistema SAI para una aplicación determinada. En el caso de diseńos sin redundancia, o con poca redundancia de componentes, debe considerarse el hecho de que se producirán períodos de inactividad debido al mantenimiento. Si estos períodos de inactividad son inaceptables, deberá seleccionarse un diseńo que permita el mantenimiento concurrente. Si sigue el orden de las preguntas que aparecen en el diagrama de flujo, podrá identificar el sistema adecuado para sus necesidades.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

22

Figura 7 – Árbol para la selección de la configuración del diseño

Can the business tolerate a 12 hour semi-annual and a 24 hour annual shutdown for maintenance?

NO

YES

Capacity or "N" System

Can the business tolerate a 12 hour annual shutdown for maintenance?

YES

NO Parallel Redundant or "N+1" System

NO

System plus System: 2N

Does the business need full redundancy within each system during maintenance periods?

YES

System plus System: 2(N+1)

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

23

Conclusión La infraestructura eléctrica es fundamental para el correcto funcionamiento de los equipos de un centro de datos. Existen diversas configuraciones de SAI que se pueden implantar, cada una de ellas con sus ventajas y limitaciones. Conocer los requisitos de disponibilidad, la tolerancia al riesgo y el presupuesto de la empresa, permite seleccionar el diseño adecuado. Como se ha demostrado en el análisis realizado en este documento técnico, las arquitecturas 2(N+1) conectadas directamente a cargas de doble fuente ofrecen la mayor disponibilidad posible, al crear una redundancia total y eliminar los puntos individuales de fallo.

Acerca del autor: Kevin McCarthy es consultor senior de tecnología en APC y trabaja con el equipo de ingeniería in situ. Kevin es ingeniero eléctrico licenciado por la Ohio State University en 1984 con titulación secundaria en informática. Lleva 17 años diseñando centros de datos. Recientemente, Kevin ha trabajado para EYP Mission Critical, donde actuó como socio director de la oficina de Washington DC. Kevin ha publicado artículos en las principales publicaciones del sector y ha impartido numerosas conferencias y participado en otros acontecimientos importantes del sector.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

24

Apéndice - Análisis de la disponibilidad Hemos realizado un análisis de disponibilidad con el fin de cuantificar la diferencia de disponibilidad entre las cinco configuraciones presentadas en este documento técnico. A continuación se explican los detalles del análisis.

Enfoque del análisis de disponibilidad El centro científico de disponibilidad de APC utiliza un enfoque integrado de análisis de disponibilidad para calcular los niveles de disponibilidad. Este enfoque emplea una combinación de los modelos de diagrama de bloques de fiabilidad (RBD - Reliability Block Diagram) y modelos de estado-espacio para ilustrar la disponibilidad eléctrica de estas cinco configuraciones. Los RBD se utilizan para representar subsistemas de la arquitectura, y los diagramas de estado-espacio, también denominados diagramas de Markov, se utilizan para representar los distintos estados que puede tener la arquitectura eléctrica. Por ejemplo, cuando la instalación falla, el SAI pasa a funcionar con baterías. Todas las fuentes de datos para el análisis proceden de terceras partes aceptados en el sector, como IEEE y RAC. Estos niveles de disponibilidad estadística se basan en suposiciones validadas independientemente. Doctora Joanne Bechta Dugan, profesora de la Universidad de Virginia. “El análisis me ha parecido creíble y metodológicamente sólido. La combinación de diagramas de bloques de fiabilidad (RBD) y modelos de recompensa de Markov (MRM, Markov Reward Models) es una elección excelente que permite combinar la flexibilidad y precisión de los modelos MRM con la simplicidad de los diagramas RBD”.

Datos utilizados en el análisis Los datos utilizados para modelar los componentes proceden de terceras partes. En este análisis se han incluido los siguientes componentes clave: 1.

Terminales

2.

Cortacircuitos

3.

Sistemas SAI

4.

PDU

5.

Conmutador de transferencia estática (STS)

6.

Generador

7.

Conmutador de transferencia automática (ATS)

La PDU se divide en tres subcomponentes básicos: cortacircuitos, transformador reductor y terminales. El subcuadro se evalúa a partir del automático principal, un disyuntor de derivación y terminales en todas las series.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

25

Suposiciones utilizadas en el análisis Es importante que el lector interprete correctamente los valores de disponibilidad de las cinco configuraciones. Para poder realizar análisis de disponibilidad de sistemas complejos, deben adoptarse suposiciones que simplifiquen el análisis. Por lo tanto, las disponibilidades presentadas en este documento serán superiores a las que cabe esperar en una instalación real. La Tabla 1 enumera las suposiciones básicas utilizadas en este análisis.

Tabla A1 – Suposiciones del análisis Suposición

Descripción

Índice de fallos de los componentes

Todos los componentes del análisis muestran un índice de fallos constante. Ésta es la mejor suposición, dado que los equipos se utilizarán sólo durante su ciclo de vida útil designado. Si los productos se utilizaran más allá del límite de su ciclo de vida útil, debería integrarse la no linealidad en el índice de fallos.

Equipos de reparación

Para “n” componentes en serie, se supone que están disponibles “n” reparadores.

Los componentes permanecen en funcionamiento

Se supone que todos los componentes del sistema se mantienen en funcionamiento mientras se reparan los componentes con fallos.

Independencia de fallos

Estos modelos presuponen que la construcción de las arquitecturas descritas se ha realizado según las mejores prácticas del sector. El resultado es una probabilidad muy baja de fallos de causa común y de propagación debido al aislamiento físico y eléctrico. Esta suposición no es totalmente válida para las arquitecturas redundantes distribuidas, ya que el conmutador estático de transferencia puede ocasionar el fallo de dos de los tres SAI y provocar así el fallo de toda la arquitectura. Este fallo de causa común se modeló para las dos arquitecturas redundantes distribuidas.

Índice de fallos de cableado

El cableado entre los componentes de las arquitecturas no se ha incluido en los cálculos porque el cableado tiene un índice de fallos demasiado bajo para predecir con certeza y relevancia estadística. Asimismo, estudios anteriores demuestran que este bajo índice de fallos afecta mínimamente a la disponibilidad general. No obstante, se han tenido en cuenta los principales terminales.

Errores humanos

El tiempo de inactividad debido a errores humanos no se ha tenido en cuenta en este análisis. Aunque es una causa importante de tiempo de inactividad de los centros de datos, este modelo está destinado a comparar arquitecturas de infraestructura de alimentación y a identificar los puntos débiles físicos de las mismas. Además, faltan datos relativos a la forma en que los errores humanos afectan a la disponibilidad.

La disponibilidad eléctrica es la medida clave

Este análisis proporciona información relacionada con la disponibilidad eléctrica. La disponibilidad del proceso empresarial generalmente será inferior porque el retorno de la alimentación no se traduce inmediatamente en el retorno de la disponibilidad empresarial. Los sistemas de TI generalmente tienen un tiempo de reinicio que hay que ańadir a la no disponibilidad y que no se tiene en cuenta en este análisis.

Definición de fallo según IEEE, norma 493-1997 (Gold Book) Práctica recomendada por el IEEE para el diseńo de sistemas eléctricos industriales y comerciales fiables

Cualquier problema de un componente del sistema eléctrico que provoque cualquiera de los siguientes acontecimientos: — Parada parcial o completa de la instalación o funcionamiento de ésta sin ajustarse a las normas pertinentes. — Rendimiento inaceptable de los equipos del usuario. — Funcionamiento del relé de protección eléctrica o funcionamiento de emergencia del sistema eléctrico de la instalación. — Desexcitación de cualquier circuito o equipo eléctrico.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

26

Datos del índice de fallos y recuperaciones La Tabla A2 incluye los valores y fuentes de los datos del índice de fallo

recuperación

 1     MTTR 

 1    e índice de  MTTF 

de cada subcomponente, donde MTTF es el tiempo medio de fallo y MTTR es el

tiempo medio de recuperación.

Tabla A2 – Componentes y valores Componente

Red eléctrica pública

Índice de fallos

3,887E-003

Índice de recuperaciones

30,487

Fuente de datos

Comentarios

EPRI - Se recopilaron los datos de la alimentación de la red y se ha calculado una media ponderada de todos los eventos de alimentación distribuida.

Estos datos dependen en gran medida de la ubicación geográfica.

Generador de motor diésel

1,0274E-04

0,25641

IEEE Gold Book, norma 493-1997, página 406

El índice de fallos se basa en las horas de funcionamiento. 0,01350 fallos por intento de inicio según la Tabla 3-4, pág. 44.

Conmutador automático

9,7949E-06

0,17422

Encuesta de fiabilidad / disponibilidad - ASHRAE, documento nş 4489

Se utiliza para transferir la fuente eléctrica de la red al generador y viceversa.

Terminal, 0-600 V

1,4498E-08

0,26316

IEEE Gold Book, norma 493-1997, página 41

Se utiliza para conectar dos conductores.

0,26316

6 x valor del IEEE Calculado a partir del valor de IEEE Gold Book, norma 493-1997, página 41

Antes del transformador existe un terminal por conductor. Dado que hay 2 conjuntos de terminales entre los componentes, se utiliza un total de seis terminales.

0,26316

8 x valor del IEEE Calculado a partir del valor de IEEE Gold Book, norma 493-1997, página 41

Después del transformador existe un terminal por conductor más la neutra. Dado que hay 2 conjuntos de terminales entre los componentes, se utiliza un total de ocho terminales.

IEEE Gold Book, norma 493-1997, página 40

Se utiliza para aislar los componentes de la fuente de alimentación para mantenimiento o contención de fallos. Fijo (incluido caso modelado), 0-600 A

6 terminales

8 terminales

Cortacircuitos

8,6988E-08

1,1598E-07

3,9954E-07

0,45455

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

27

Transformador de PDU, reductor >100 kVA

Conmutador estático de transferencia

SAI sin bypass 150 kW

7,0776E-07

MTBF de IEEE Gold Book, norma 493-1997, página 40, MTTR es la media dada por Marcus Transformer Data and Square D.

Se utiliza para reducir la entrada de 480 V CA en salidas de 208 V CA, necesaria para cargas de 120 V CA.

0,16667

Gordon Associates, Raleigh, NC

El índice de fallos incluye los controles; el índice de recuperación no lo facilitó ASHRAE para este tamańo de STS, por lo que el valor utilizado es el de un STS de 600-1.000 A

0,125

El índice de fallos es de Power Quality Magazine, edición de feb. 2001. El índice de recuperación se basa en la suposición de 4 horas para que llegue el personal de servicio y 4 horas para la reparación del sistema

SAI sin bypass. MTBF de 27.440 h sin bypass según MGE “Power Systems Applications Guide”

0,00641

4,1600E-06

3,64E-05

Modelos estado-espacio Se han utilizado modelos de estado-espacio para representar los distintos estados que pueden producirse en las seis arquitecturas. Además de los datos de fiabilidad, se definieron otras variables para utilizarlas en los modelos de estado-espacio (Tabla A3).

Tabla A3 – Variables del modelo estado-espacio Variable

Valor

Fuente de datos Comentarios

PbypassFailSwitch

0,001

Media del sector

Pbatfailed

0,001

Gordon Associates Raleigh, NC

Tbat

7 minutos

Pgenfail_start

0,0135

IEEE Gold Book, norma 493-1997, página 44

Tgen_start

0.05278

Media del sector

Probabilidad de que el bypass no consiga conmutar con éxito a la red eléctrica en caso de fallo del SAI. Probabilidad de que la carga del SAI se interrumpa al cambiar a batería. Incluye controles. El tiempo de autonomía de la batería fue igual en todas las configuraciones. Probabilidad de que el generador no arranque. El índice de fallos se basa en las horas de funcionamiento. 0,01350 fallos por intento de inicio según la Tabla 3-4 pág. 44. Esta probabilidad también tiene en cuenta el ATS. Demora en el arranque del generador tras un fallo de alimentación. Equivale a 190 segundos.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

28

Descripción del modelo de disponibilidad El objeto de esta sección es ofrecer una descripción general de cómo se llevó a cabo el análisis en el caso de la configuración de “capacidad”. Las figuras A1 a A3 representan el modelo de disponibilidad de la configuración de “capacidad” de la Figura 1. Los modelos de las restantes configuraciones de SAI se crearon utilizando la misma lógica. En la Figura A1 se describe la relación en serie entre las partes situadas antes y después de la “configuración de capacidad”. El bloque situado “antes” representa todo lo que se encuentra entre la red pública y el SAI, incluido éste. El bloque situado “después” representa todo lo que se encuentra después del SAI, incluidos todos los componentes hasta el automático de salida del transformador (incluido también).

Figura A1 – RBD de nivel superior que representa las rutas situadas antes y después de la configuración Upstream

Downstream

Dentro del bloque “Entrada de la alimentación” se encuentra el diagrama de Markov empleado para calcular la disponibilidad de los componentes situados “antes” que alimentaban a los componentes situados “después”. Los bloques de la parte superior de la Figura A2 representan los componentes individuales del bypass, el sistema SAI el generador, el conmutador automático (ATS) y la red pública, respectivamente. Los índices de fallo y recuperación de estos bloques se utilizaron en el diagrama de Markov, que muestra el resultado de la disponibilidad total de todo el bloque situado “antes” de la capacidad.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

29

Figura A2 – Diagrama de Markov de los componentes situados antes de la capacidad Bypass Path ëBypass ì Bypass

UPS System ëUPS ì UPS

Gen Path ëGen ì Gen

ATS Path ëUpstream ì Upstream

Utility Path ëPower ì Power gen_ f ailed

ì Power On_ Gen ì Power*(1-Patsf ail_ Switch)

0

ëGen ì Gen

1

((1-Patsf ail_ Switch)*(1-Pgenf ail_ start)*(1/Tgenstart))*(1-R) On_ Batt ëPower*(1-Pbatf ailed) Normal

((1-Patsf ail_ Switch)*(1-Pgenf ail_ start)*(1/Tgenstart))*(1-R)

1

Failed_ NoPower ì Power*R (Pgenf ail_ start*(1/Tbat)+Patsf ail_ Switch*(1/Tbat)-(Pgenf ail_ start*Patsf ail_ Switch)*(1/Tbat))*(1-R) 0

1

ëPower*Pbatf ailed ì Power ëUpstream*(1-Pbatf ailed)

ëUpstream*Pbatf ailed

Fail_ Upstream

ì Upstream OnBatt_ Upstream_ Failure ëUPS*(1-PbypassFailSwitch) ì UPS

0 1/Tbat

1 ëUpstream+ëPower+ëBypass

OnBypass

FailedFromBypass

1

0

1/((1/ì Power)*ëPower/(ëPower+ëBypass+ëUpstream)+(1/ì Bypass)*ëBypass/(ëPower+ëBypass+ëUpstream)+(1/ì Upstream)*ëUpstream/(ëPower+ëBypass+ëUpstream))

ëUPS*PbypassFailSwitch

UPS_ and_ Bypass_ Failed 0

ì UPS

La Figura A3 representa los componentes que conforman el bloque situado “antes” en la Figura A1. En el caso de las configuraciones de sistemas redundantes distribuidos (Figuras 4 y 5), el STS debe colocarse al principio de esta cadena de componentes.

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

30

Figura A3 – Diagrama de componentes situados antes de la capacidad ë=8.6988e-008 ì =0.263158

ë=3.9954e-007 ì =0.45455

ë=8.6988e-008 ì =0.263158

TERMS 6 UNDER 600V

CB UNDER 600A

TERMS 6 UNDER 600V

ë=3.9954e-007 ì =0.45455

ë=1.1598e-007 ì =0.263158

ë=7.0776e-007 ì =0.00641

CB UNDER 600A

TERMS 8 UNDER 600V

XFORMER OVER 100kVA

Resultados En la Tabla A4 se muestran los resultados de los análisis de las 5 configuraciones de SAI.

Tabla A4 – Resultados de los análisis Configuración del SAI Configuración de SAI con “capacidad” de un solo módulo Configuración de SAI redundante aislado Configuración de SAI redundante paralelo (N+1) Configuración de SAI redundante distribuido “de captación” Configuración de SAI redundante distribuido Configuración de SAI 2(N+1)

Nş de figura 1

Disponibilidad 99,92%

2 3 4

99,93% 99,93%

5 6

99,9994% 99.99997%

99,9989%

2004 American Power Conversion. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación podrá utilizarse, reproducirse, fotocopiarse, transmitirse o almacenarse en ningún sistema de recuperación de datos de ningún tipo sin contar con la autorización por escrito del propietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

31